Exemplos De Condução Termica

O que acontece na prática quando algo conduz calor

A condução térmica é a transferência de energia entre átomos e moléculas vizinhos por colisão direta. Nada mais, nada menos. Você pega uma barra de metal, aquece uma ponta, e a outra ponta esquenta depois de um tempo. Esse é o princípio básico. Na prática, o que diferencia um projeto que funciona de um que falha no campo são os detalhes que a maioria dos tutoriais ignora. Vou começar mostrando como eu lido com isso no dia a dia antes de definir nada. Ultimamente estava ajustando um dissipador em um módulo de potência que operava com corrente contínua. O coeficiente de condução do material do dissipador era bom no papel, mas o contato térmico entre a pastilha e o heatsink estava criando uma resistência térmica alta demais. O problema não era o material em si, era a interface. A solução foi trocar a pasta térmica padrão por uma com partículas de prata de maior condutividade e aplicar uma camada mais fina. Reduzi a resistência térmica de interface de cerca de 0,5 °C/W para aproximadamente 0,25 °C/W. O módulo passou a operar 8 graus mais frio na mesma carga.

Exemplos de condução termica em situações reais

Os exemplos mais comuns que você vê em qualquer livro introdutório envolvem barras de cobre ou alumínio, mas existem cenários onde a condução parece contra-intuitiva. Um deles é o uso de materiais com baixa condutividade térmica como isolantes intencionais. A lã de vidro, por exemplo, tem uma condutividade térmica de cerca de 0,04 W/(m·K), o que a torna excelente como barreira térmica em construções. Outro exemplo importante envolve a condução em semicondutores. Silício puro tem uma condutividade térmica de aproximadamente 150 W/(m·K), mas quando dopado, esse valor cai significativamente. Isso importa porque um chip de silício altamente dopado em um processo de potência vai dissipar calor muito pior do que um wafer intrínseco equivalente, mesmo que as propriedades elétricas sejam idênticas. Esse é um detalhe que engenheiros eletricistas muitas vezes negligenciam ao projetar placas de circuito impresso para dispositivos de alta potência. Quando se trata de soldagem, a condução térmica define completamente o perfil de aquecimento. Uma solda de chumbo-estanho conduz calor mais rápido do que uma solda sem chumbo de prata-cobre, porque a condutividade térmica do SnPb é cerca de 50 W/(m·K) contra 40 W/(m·K) do SnAgCu. Isso significa que em componentes sensíveis ao calor, uma ferro de solda configurado para a liga tradicional precisa de ajustes diferentes de temperatura e tempo de contato. O tempo médio de soldagem em uma juntas SMD muda de cerca de 2 segundos para 3 segundos quando se troca a liga, só por causa da condução.

Como calcular a taxa de condução

A lei de Fourier para condução térmica unidimensional é expressa como Q = -k × A × (T/x), onde Q é a taxa de transferência de calor em watts, k é a condutividade térmica do material em W/(m·K), A é a área da seção transversal em metros quadrados, T é a diferença de temperatura entre as extremidades, e x é a distância entre essas extremidades. O sinal negativo indica que o calor flui do quente para o frio. Em aplicações práticas, muitos engenheiros transformam isso em uma analogia com a lei de Ohm, definindo uma resistência térmica Rth = x / (k × A). Assim, T = Q × Rth. Essa analogia permite somar resistências térmicas em série, o que é extremamente útil quando você tem múltiplas camadas de materiais diferentes entre duas superfícies. Por exemplo, imagine um dispositivo que emite 10 W de potência. O chip está montado sobre um substrato de cerâmica de 1 mm de espessura com área de 1 cm² (condutividade térmica de 20 W/(m·K)), que por sua vez está acoplado a um dissipador de alumínio com resistência térmica de 1,5 °C/W. A resistência térmica do substrato cerâmico é Rth = 0,001 / (20 × 0,0001) = 0,5 °C/W. Somando tudo: Rth total = 0,5 + 1,5 = 2,0 °C/W. A diferença de temperatura entre o chip e o ambiente seria então T = 10 × 2,0 = 20 °C. Parece simples, mas se você omitir a resistência de contato entre o substrato e o dissipador — algo que habitualmente adiciona entre 0,3 e 0,8 °C/W dependendo da qualidade da aplicação —, o cálculo fica irrelevante para a realidade.

Materiais e suas condutividades térmicas

Aqui está uma referência rápida dos materiais mais comuns encontrados em projetos práticos, ordenados do maior para o menor condutor térmico: Uma coisa que surpreende iniciantes: o alumínio é apenas metade tão bom quanto o cobre, mas em muitos dissipadores práticos a diferença real é menor do que o esperado. Isso acontece porque a maior parte da resistência térmica está na interface ar-superfície do dissipador, não no interior do metal. Um dissipador de alumínio bem desenhado pode ter desempenho térmico comparável a um de cobre do mesmo tamanho geométrico, porque o mecanismo limitante não é a condução interna, mas sim a convecção externa. O erro mais frequente que vejo em fóruns e relatórios de projeto é tratar a condutividade térmica como uma constante fixa. Ela varia com a temperatura. Para o cobre, por exemplo, a condutividade cai de aproximadamente 400 W/(m·K) a 20 °C para cerca de 380 W/(m·K) a 100 °C. Para o alumínio, a queda é mais pronunciada, de 237 W/(m·K) para 210 W/(m·K) na mesma faixa. Em dispositivos que operam com gradientes grandes, ignorar essa variação pode levar a erros de 10 a 15 por cento no cálculo de temperatura.

Outro erro comum é assumir que materiais com boa condutividade elétrica necessariamente têm boa condutividade térmica. A regra de Wiedemann-Franz estabelece uma relação entre as duas, mas ela se aplica principalmente a metais puros e ligas metálicas simples. Materiais compósitos, cerâmicas e semicondutores frequentemente desviam significativamente dessa regra. Um caso específico: materiais como o nitreto de boro (BN), que é um excelente isolante elétrico mas possui condutividade térmica na casa dos 30 W/(m·K). Usar BN como substrato isolante em módulos de potência permite conduzir calor eficientemente sem criar caminhos de corrente parasitas. Um problema que enfrentei recentemente envolveu a condução em interfaces com geometria irregular. Quando duas superfícies são montadas uma sobre a outra, nenhuma delas é perfeitamente plana. As irregularidades criam bolsões de ar que funcionam como isolantes. A solução padrão é usar pasta térmica, mas em aplicações de alta densidade de potência, a pasta térmica tem vida útil limitada e pode secar ao longo do tempo. Em um projeto recente, substituímos a pasta térmica por uma folha de indium de 0,1 mm de espessura. A condutividade do indium é de aproximadamente 82 W/(m·K), e a resistência térmica da interface caiu de 0,5 °C/W para cerca de 0,15 °C/W. O custo do indium é proibitivo para volume, mas para protótipos de alta performance, faz diferença imediata.

Quando a condução não é suficiente

Existem situações onde confiar apenas na condução térmica é ingenuidade técnica. Se você precisa dissipar mais de 50 W através de um caminho sólido de mais de 5 centímetros, a resistência térmica do material será enorme, independentemente do metal usado. Nesses casos, a condução sozinha não resolve. Você precisa de convecção forçada, cooling líquido, ou heat pipes que operam por mudança de fase. Heat pipes são particularmente interessantes porque combinam condução e convecção de forma elegante. Dentro de um tubo selado, um fluido evapora na extremidade quente, viaja como vapor até a extremidade fria, condensa, e retorna por capilaridade. A condutividade térmica efetiva de um heat pipe pode equivaler a milhares de W/(m·K), muito superior a qualquer metal sólido do mesmo tamanho. Isso é útil quando o calor precisa ser transportado por uma distância considerável sem um gradiente de temperatura elevado. Se o seu problema envolve calor gerado em volumes pequenos mas com densidade muito alta, como em LEDs de potência ou amplificadores RF, a condução através do próprio substrato do componente já é insuficiente. Nesse cenário, a melhor alternativa é transferir o calor para um plano térmico na placa de circuito impresso e depois usar um dissipador externo ou ventilação forçada. A transição de condução interna para convecção externa é onde a maioria dos projetos falha, não a condução em si.

Dicas práticas para melhorar a condução em seus projetos

Use vias térmicas em placas de circuito impresso multicamadas. Vias preenchidas com cobre ou banhadas internamente podem reduzir a resistência térmica vertical da placa em até 60 por cento comparado a vias padrão. Cada via de 0,3 mm de diâmetro oferece cerca de 0,5 °C/W de resistência térmica. Colocar 20 vias em paralelo reduz isso para 0,025 °C/W, o que é significativo quando você está lidando com componentes que operam próximo aos limites de temperatura. Aplique pressão uniforme entre interfaces térmicas. Uma junta térmica com pressão desigual cria pontos de contato inconsistentes e aumenta a resistência total. Parafusos com arruelas planas distribuem melhor a força. Em discos rígidos de servidores, por exemplo, o torque recomendado para os parafusos do dissipador é especificado com tolerância de ±10 por cento justamente para garantir contato térmico homogêneo. Limpe superfícies antes de aplicar qualquer material de interface. Óleo, poeira ou resíduos de limpeza anterior criam camadas adicionais de resistência térmica. Uma única camada de óleo com espessura de 10 micrômetros tem condutividade térmica de cerca de 0,15 W/(m·K), o que resulta em uma resistência térmica de 0,067 °C/W por interface. Isso parece pouco, mas em sistemas com múltiplas interfaces, o efeito se soma rapidamente.